加速變奏曲

對于現(xiàn)在的年輕人而言，網(wǎng)絡已經(jīng)成為生活中不可或缺的一部分，虛擬世界中的一切，似乎比日常生活中的人、事、物還要真實。在這種環(huán)境下長大的你，是否曾經(jīng)問過：自然世界是由什么組成的？

探索自然世界的組成

在公元前600年的古希臘時代，“自然世界是由什么組成”是一個熱門議題。古希臘哲學家企圖在神話之外，用理性的思維去了解肉眼所觀察到的自然界中的循環(huán)和變化，譬如：水為何會變成冰，空氣凝結為何會變成水等等。在米力特斯有三位哲學家：泰利斯、安奈克西曼德和安那西梅斯，認為自然界的一切事物雖然看似變化萬千，但必定是由一種基本物質所組成。三人持有不同觀點，分別認為這個單一的基本物質是水、無界限者或空氣。

100年后，德謨克利特提出了唯物論：每一種事物都是由一種微小且不可分割的積木所組成；他稱這些積木為原子。因為沒有一件事物會來自虛無，所以大自然的積木必須是永恒的。所有的原子都是堅硬結實的，但卻不是完全一樣，而大自然是由無數(shù)形狀各異的原子所組成。德謨克利特不相信有任何力量或靈魂介入大自然的變化過程，大自然每件事情的發(fā)生都是相當機械化的，萬事萬物都遵守必要的法則。

雖然這些希臘哲學家的想法非常簡潔漂亮，但是他們并沒有實驗的根據(jù)。2000余年后，俄國科學家門捷列夫首創(chuàng)化學元素周期表，把當時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的原子依其原子量大小做了排列，同時觀察到這些原子的化學特性都可以被簡化和分組，暗示了原子是由更小的基本粒子所組成。經(jīng)過了50余年實驗和理論的相互激蕩，物理學家建立了今天的量子物理標準模型。

在標準模型里，基本粒子包含夸克、輕子和作用子。有六種夸克和六種輕子以及它們的反粒子：上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、頂夸克、底夸克、電子、渺子、濤子、電子微中子、渺子微中子、濤子微中子。四種作用子負責傳遞基本交互作用力：光子負責電磁力、膠子負責強作用力、而Z玻色子和W玻色子負責弱作用力。

夸克之間或輕子之間并不直接交流，而是通過像郵差一樣的作用子來傳遞信息并產(chǎn)生交互作用，所傳遞信息的強度大小取決于粒子所帶的電荷大小以及作用力常數(shù)。夸克因為帶有電磁電荷、色電荷和弱電荷，可以接收到這四種作用子的信息。輕子不帶色電荷，所以接收不到膠子的信息（不參與強作用力）。值得一提的是，微中子只帶有弱電荷，只能感受到弱作用力，被昵稱為“鬼粒子”。

在電磁力、強作用力和弱作用力中，無疑大家最容易感受到、也最熟悉的是電磁力。帶正電的原子核和帶負電的電子，借由光子而相互吸引并鍵結成原子；雖然原子呈電中性，兩個非常靠近的原子就像兩個電偶極一樣相互吸引，這吸引力便是所謂的凡得瓦力，原子群借由凡得瓦力鍵結而組成了分子。電磁力決定了原子和分子的化學性質。同理，帶有色電荷的夸克（或反夸克）借著膠子而鍵結成色中性的介子或重子；你所熟悉的質子和中子，便是眾多上夸克和下夸克的排列組合中最輕和最穩(wěn)定的重子。而質子和中子就像色偶極一樣，相互吸引組成了原子核。弱作用力雖然強度比強作用力和電磁力小了4個～6個數(shù)量級，但它其實是地球生命的起源：弱作用力讓太陽中的氫在一連串的反應后轉換為氦，并釋放光和熱，而放射性衰變的產(chǎn)物更被拿來應用在癌癥治療等醫(yī)學用途上。

注意！當一個粒子被稱為基本粒子時，代表我們認為這個粒子無法再被分割，沒有內部構造。但是，有別于大家對“基本粒子是永遠不變”的直覺，雖然它們無法被分割，卻可以通過電磁力或弱作用力衰變到其他較輕的基本粒子。在標準模型里，只有第一代粒子組成了穩(wěn)定的物質，其他粒子所組成的物質（重子或介子）生命期較短，最終都會衰變到第一代粒子或是作用子。

量子物理學界的當前課題

對于“自然世界是由什么組成”這個問題，量子物理標準模型雖然給了我們一個最接近真實世界的答案，但并不是一個最理想和最完整的答案。還有許多問題尚未得到解答，以下提出幾個例子。

現(xiàn)今的物理學家和希臘哲學家有同樣的信念，相信自然界可以由少量的法則來決定，但標準模型的基本粒子數(shù)目似乎還是多了些。這是否表示夸克和輕子并不是基本粒子，它們只是一個更基本的粒子在低能量時所展現(xiàn)的一體兩面？又或者基本粒子數(shù)目不少，而我們尚未找到所有的夸克和輕子？細心的讀者應該能發(fā)現(xiàn)標準模型尚未把重力納入，是否還有一個重力作用子？另外，這些基本粒子的質量范圍甚廣：有比電子輕的微中子，也有重達184倍質子質量的頂夸克，二者質量差了11個數(shù)量級！為什么這些基本粒子會擁有質量？在作用子中，光子和膠子沒有質量，但為什么W玻色子和Z玻色子卻是質子質量的86倍和97倍？是因為它們和希格斯粒子的交互作用？那為什么我們還沒有找到希格斯粒子？在宇宙大爆炸時，估計有相等數(shù)量的正粒子和反粒子，那為什么現(xiàn)在自然界中的穩(wěn)定物質都是由正粒子組成的，我們只能在實驗室的產(chǎn)物中看到反粒子？

為了找到這些問題的答案，物理學家設計了各種實驗來了解這些基本粒子的性質。在標準模型中，大部分的粒子無法穩(wěn)定存在，但是物理學家可以在較單純的實驗室環(huán)境里制造，然后用像照相機一樣的偵測器，把這些粒子或是它們衰變后產(chǎn)物的軌跡記錄下來，再用計算機分析這些數(shù)據(jù)。

若要制造質量較輕的粒子或是它們的反粒子，可以拿高速的電子或質子去撞一個金屬靶，然后再過濾掉不想要的產(chǎn)物，這就是所謂的定靶實驗；魅夸克和底夸克便是在美國布魯克海文實驗室、斯坦福直線加速器中心以及費米高能實驗室的定靶實驗中發(fā)現(xiàn)的。但是量子物理學家除了想了解基本粒子的性質外，更想找到希格斯粒子和發(fā)現(xiàn)標準模型以外的新粒子；而尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子質量多半極高，可能是質子質量的數(shù)百倍甚至千倍。只是定靶實驗有個缺點，那就是無法將整個系統(tǒng)的能量百分之百地都轉換成質量以產(chǎn)生粒子。既然所有的撞擊都必須維持動量守恒，定靶實驗里的發(fā)射物撞擊金屬靶之后，系統(tǒng)能量有一部分必須貢獻到產(chǎn)物的動能上，使得撞擊后產(chǎn)物的總動量等于撞擊前發(fā)射物的動量。

相反，對撞機實驗對撞兩個有相同能量但動量相反的質子或電子，高質量的新粒子可在靜止狀態(tài)下產(chǎn)生。也就是說，所有對撞物的能量都被拿來轉換成質量。而具有高質量的W玻色子、Z玻色子以及頂夸克，便是在歐洲核子研究中心及美國費米高能實驗室的質子一反質子對撞機實驗里發(fā)現(xiàn)的。

現(xiàn)今能量最高的對撞機，位于瑞士日內瓦近郊的歐洲核子研究中心，也就是大家常在新聞報道里看到的大型強子對撞機（LHC）。

大型強子對撞機

LHC是一個圓形加速器，位于地下約100米，周長有26.7千米，主要由一連串的共振腔、1232個偶極超導磁鐵、392個四極磁鐵所構成。電場的功用是加速帶電粒子，而磁場的功用是彎曲和聚焦這些帶電粒子，并讓它們在四個對撞點對撞。LHC的四個對撞點各自設有一個偵測器，測量因對撞而產(chǎn)生的粒子的性質。整個加速器橫跨瑞士和法國兩個國家，是世界上最貴、最大也是能量最高的強子加速器。所使用的強子大部分是質子，一年中只有一個月的時間會進行鉛離子的對撞。因此，我們只針對質子對撞做介紹。

LHC的整個實驗配置包含LHC加速器、前級加速器以及四個對撞點上的偵測器：超導環(huán)場偵測器（ATLAS）、緊湊渺子線圈（CMS）、大型離子對撞機（ALICE）和LHC底夸克偵測器（LHCb）。首先，氫原子里的質子和電子被解離，質子在直線加速器里被加速到5000萬電子伏特。接下來，質子被送到半徑越來越大的圓形前級加速器——質子同步加速器的推進器、質子同步加速器、超質子同步加速器，從而達到4500億電子伏特的動能。為了增加物理反應和產(chǎn)生有趣粒子的機率，有超過10¹¹個質子被壓縮在一個半徑為30微米～45微米、長度約10厘米的圓柱空間。至于每一階段的加速器，除了加速質子群外，也在不斷地冷卻、聚焦質子群，以達到高密度的質子束。最后，兩個質子束各自沿順時針和逆時針在LHC軌道里運行約20分鐘后，達到最高動能（LHC的設計最大值是7兆電子伏特）。

讓我們再回顧一下帶電粒子在垂直其運動平面的磁場中如何運行：其軌跡的曲率半徑和磁場大小成反比，和粒子的動量成正比。也就是說，如果要讓粒子維持在同一個圓形加速器軌道，磁場大小必須隨動量而改變。LHC磁場強度的最高值8.33特斯拉和軌道半徑26.7千米，決定了質子可以擁有的最高能量為7兆電子伏特，也就是說，質子一質子對撞時質心系能量最高可達14兆電子伏特。在2010年和2011年，LHC先以7兆電子伏特的質心系能量來運行，而2012年的運行，則把質心系能量提升到8兆電子伏特。1兆電子伏特的能量，相當于1.6爾格（1.6×10^-7焦耳），其實也不過是一只蚊子做全速飛行所需要的能量，遠小于一個100克的蘋果下落1米所獲得的動能（1焦耳）。

事實上，任何一個有質量的粒子，其速度都無法超過光速。當粒子速度遠小于光速時，又回到了牛頓力學里的動能。當粒子速度接近光速時，粒子速度增加的比率卻遠比粒子動能增加的比率緩慢。

LHC研究團隊

在LHC對撞點上的每一個偵測器都有一個實驗團隊負責，分別是ATLAS、LHCb、CMS和ALICE團隊。其中，ALTAS和CMS的實驗團隊多達3000人。主要是為了尋找希格斯粒子，并且探測標準模型以外的新物質。ALICE，顧名思義，專攻于研究鉛離子對撞而產(chǎn)生的夸克-膠子電漿狀態(tài)，從而了解宇宙的形成；LHCb則專攻于研究底夸克的性質，以幫助了解正粒子和反粒子不對稱的原因。

ATLAS偵測器的體積最大：長46米、寬25米、高25米，相當于十層樓高和三個籃球場的大小。而CMS偵測器最重，有1.25萬噸，相當于65只藍鯨的體重。除了在四個對撞點上的偵測器，還有兩個小型偵測器LHCf和TOTEM，分別位于ATLAS和CMS偵測器的前端和后端。

對撞點上的偵測器通常包含一層又一層的子偵測器，在最內層、最靠近對撞點的是帶電粒子軌跡偵測器，再外面一層是電磁和強子量能器，而最外面一層是渺子偵測器。

偵測粒子的軌跡

想要徹底了解粒子的性質，我們必須知道粒子產(chǎn)生時的動量大小、方向以及能量的大小，也就是所謂的四維動量。帶電荷粒子的動量大小和方向，可以從它們在軌跡偵測器里所留下的信號算出——動量大小正比于粒子在磁場中運動軌跡的曲率半徑；而質子一質子對撞點，也就是粒子產(chǎn)生點和軌跡偵測器有信號的位置，兩點的聯(lián)線方向便是動量方向。

常見的軌跡偵測器有硅晶軌跡追跡系統(tǒng)和氣體漂移室。不管軌跡偵測器的材料為何，其物質密度都不能過高，這樣當帶電粒子經(jīng)過軌跡偵測器時，只會損失非常微小的能量，而所測量到的動量便不會偏離帶電粒子進入軌跡偵測器之前原有的動量。如果粒子本身是不帶電荷的，但是會衰變到帶正電和帶負電的粒子，我們可以從這些衰變產(chǎn)物來推導出原來粒子的動量。

粒子的能量可以由電磁和強子量能器里的信號來得到。量能器是一種“破壞性”偵測器，本身可以誘發(fā)簇射，所以必須放在軌跡偵測器外圍才不會干擾動量的測量。簇射產(chǎn)物中，起初只有少數(shù)高能量的次級粒子，這些次級粒子進一步被引發(fā)二次簇射、三次簇射……使得次級粒子的數(shù)目逐漸增加，而能量逐漸降低。一旦所產(chǎn)生的次級粒子能量夠低并且?guī)в须姾桑@些次級粒子便會被量能器記錄下來。

既然渺子帶有電荷，我們可以用軌跡偵測器測量到它的動量，那么為何要在量能器外圍再裝一個渺子偵測器？原因是，在標準模型里，帶電荷的粒子中，只有渺子可以在損失極小能量的情況下穿越量能器，而在渺子偵測器被偵測到。其他粒子不是早就衰變，便是已經(jīng)在量能器里損失所有的能量，例如電子或正子在電磁量能器中損失所有能量。雖然渺子最終還是會衰變，不過它的生命期是2.2微秒，平均來說，對于一般對撞機所產(chǎn)生的渺子，至少要行進6000米才會衰變，這一距離顯然遠大于一般偵測器的大小。渺子偵測器的基本作用原理，事實上和靠近對撞點的軌跡偵測器一樣，所使用的大多是氣體漂移室。

如同前面所提到的，微中子不會和對撞機偵測器產(chǎn)生電磁交互作用或強交互作用，所以無法被直接偵測到。判別微中子的方法，只有看每個對撞事件是否有迷失動量。

在同一個質子一質子對撞事件里，所有粒子的總動量必須等于零，如果有粒子沒有被偵測到，其他被偵測到的粒子的總動量便會不等于零，也就是說，這個對撞事件有迷失動量。迷失動量是所有偵測到的物理量里，最難校正的一項。偵測器要是有一個區(qū)域無法正常運行，或是被偵測到的粒子能量有誤差。對撞事件便會產(chǎn)生一個“偽迷失動量”。雖然困難，但是許多粒子物理學家還是努力研究迷失動量，因為除了微中子之外，尚未發(fā)現(xiàn)的重力作用子、超對稱粒子或其他新粒子，都有可能逃離偵測器而留下迷失動量。

量子物理學的戰(zhàn)國時代

現(xiàn)在無疑是量子物理界的戰(zhàn)國時代。有造成不少騷動但后來證實是曇花一現(xiàn)的：微中子超越光速、在W玻色子事件中的未知粒子（雙噴射流激態(tài)）以及疑似希格斯粒子衰變到雙光子的事件。也有超越前人的：縮小希格斯粒子的質量范圍和超對稱理論的參數(shù)值空間、在重離子對撞中看到反氦原子核、噴射流在夸克一膠子電漿里的能量衰減以及許多檢驗標準模型的測量。以上對于量子物理實驗做了一個很基本的介紹，期待吸引有興趣的人加入我們的行列，一起向未知世界挑戰(zhàn)。